Teori Kuantum Radiasi Elektromagnet

Pada fisika klasik kita memandang elektron, proton dan neutron sebagai partikel, sedangkan radiasi elektromagnetik, cahaya sinar x dan sinar g dipandang sebagai gelombang. Sebenarnya sifat gelombang dan sifat partikel merupakan suatu sifat yang berkaitan satu sama lain yang hanya bergantung pada jenis eksperimen yang diamati, berarti pada suatu keadaan tertentu partikel dapat berkelakuan seperti gelombang, sedangkan dalam keadaan tertentu lainnya gelombang dapat berkelakuan sebagai partikel jadi terdapat sifat dua lisme dari partikel dan gelombang.

Pada abad ke 17 Newton mengenalkan teori  korpuskular (Corpuskular theory) yang menganggap cahaya terdiri dari partikel-partikel yang dipancarkan oleh suatu sumber. Sebaliknya teorI gelombang dari Huygen menyatakan bahwa cahaya terdiri dari gelombang-gelombang. Eksperimen yang menunjang untuk teorI Huygen yaitu :

-          Eksperimen   Young   yang  menunjukkan  gejala   difraksi  dan interferensi  hanya dapat  diterangkan dengan  teorI gelombang cahaya.

-          Persamaan-persamaan   dari   Maxwell    tentang    medan Elektromagnetik

-          Percobaan  Herz (1887)  yang membuktikan  bahwa  energy Elektromagnetik (yang  meliputi cahaya)  mengalir secara kontinu dan terdiri dari  gelombang-gelombang.

Pada abad ke 20 terdapat beberapa eksperimen fisika yang tidak dapat diterangkan dengan teori gelombang tapi dapat dijelaskan dengan memakai teori korpuskular dari Newton diantaranya gejala fisika tersebut adalah :

Ø  Spektrum radiasi dari benda hitam

Ø  Efek foto listrik

Ø  Spektrum dari sinar x

Ø   Hamburan Compton

Untuk selanjutnya kita misalkan bahwa aliran dari energi radiasi elektromagnetik tidak lagi kontinu, tetapi dalam bentuk berkas-berkas energi yang diskrit dan disebut foton, karena dengan asumsi ini gejala-gejala diatas lebih mudah dijelaskan.

Kuantitasi Dari Radiasi

Semua atom terdiri dari kelipatan elektron, proton dan neutron. Semua elektron, proton dan neutron masing-masing mempunyai massa yang sama. Muatan dari suatu atom merupakan kelipatan bulat dari muatan suatu elektron yang  disebut  muatan  elementer (e), sehingga  dapat  ditulis : q = n e , dimana n = 1,2,3,4…….

Fakta tersebut menyatakan bahwa muatan adalah terkuantisasi. Energi dari gelombang elektromagnetik juga menunjukkan sifat kuantisasi. Teori kuantum radiasi mula-mula diusulkan oleh Max Planck (1858 – 1947). Pada tahun 1901 yang berkenaan dengan radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda hitam.

Kemudian diperluas oleh Einstein pada tahun 1905 yang meliputi semua radiasi sinar cahaya, sinar g dan lain-lain. Dari radiasi benda hitam dapat disimpulkan bahwa absorpsi dan radiasi dari energi panas bukanlah merupakan proses yang kontinu melainkan dalam jumlah yang diskrit.

Teori Kuantum dari Planck

Planck menyatakan :

Suatu sistem fisika tersusun dari sejumlah besar dari  partikel-partikel yang  berosilasi dengan frekwensi yang berbeda-beda yang disebut osilator.

Bila partikel-partikel tadi bergetar dalam suatu arah dengan frekwensi n, maka energi yang dimiliki adalah :

            E = nhn ,       n = 1,2,3,4………                          (2.3.1)

Dimana n  adalah  frekwensi  dari   osilator, h  adalah   konstanta   Planck,        h = 6.625x10^-34 j.s.  Berdasarkan teori ini dapat disimpulkan :

a. Sistem tadi hanya mungkin berada pada salah satu keadaan 

    (state)  dari energi yang diskrit, disebut keadaan-keadaan

    kuantum .

b. Bila energi yang dipancarkan atau diserap sebesar hn, maka 

    radiasi   itu dikatakan terkuantisasi.

c. Sistem yang berosilasi dapat memancarkan dan menyerap

    energi sebesar hn, yang disebut  foton.

Teori Foton

Postulat dasar tafsiran kuantum adalah bahwa radiasi elektromagnetik terdiri atas paket-paket energi diskrit yang disebut foton atau kuanta. Tiap-tiap foton memiliki energi E yang hanya bergantung pada frekwensi n, dan diberikan oleh :

          E = h n  =  h c/l             ……….(2.4.1)                                   

Dalam berinteraksi, tiap-tiap foton memberikan seluruh energinya atau tidak sama sekali. Karena foton bergerak pada kecepatan cahaya, maka menurut teori relativitas khusus, massa diamnya harus nol , karena itu, energi foton seluruhnya adalah energi kinetik. Jika sebuah foton ada, maka ia bergerak pada kecepatan cahaya c, dan jika tidak bergerak dengan kecepatan c, maka foton itu tidak ada.Untuk  m_o = 0 , hubungan  momentum-energi   relativistik   menjadi E = p c.

Dari sudut pandangan kuantum, seberkas energi elektromagnetik tersusun atas foton-foton yang bergerak dengan kecepatan c. Intensitas berkas sebanding dengan jumlah foton yang menembus suatu satuan luas per satuan waktu.

Penyerapan Foton

Intensitas suatu berkas foton akan berkurang bila melewati bahan karena foton-foton akan terpantul atau dihamburkan ke depan dengan gabungan proses efek fotolistrik, efek Compton, dan penciptaan pasangan. Pengurangan intensitas ini mengikuti hukum atenuasi eksponensial:

                               I  =  I_o e^{-m x}

Dengan :    I_o  =   Intensitas awal foton

                   m  =  Koefisien serap linier (bergantung pada jenis 

                            bahan penyerap)

Untuk sembarang bahan m berubah terhadap energi foton karena interaksi-interaksi yang berbeda akan lebih dominan pada energi yang berbeda.